CN104576847A - 一种发光二极管外延片的生长方法及发光二极管外延片 - Google Patents
一种发光二极管外延片的生长方法及发光二极管外延片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法及发光二极管外延片，属于半导体技术领域。所述生长方法包括：在PSS上依次生长低温缓冲层、第一三维层、第一二维层、第二三维层、第二二维层；第一三维层和第二三维层为三维岛状，第一二维层和第二二维层为平面状；第二三维层的生长温度比第一二维层低50-200℃；第二三维层的生长温度比第一二维层低10-50℃，第二三维层的生长压力比第一二维层高，且大于或等于200torr；第二三维层的生长压力比第一二维层高，且大于或等于300torr；第二三维层的生长温度比第一二维层低至少10℃，第二三维层的Ⅴ/Ⅲ比比第一二维层低，且大于200。本发明提高外延材料的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的生长方法及发光二极管外延片。
背景技术
GaN基Ⅲ族氮化物是宽禁带化合物半导体材料，在发光二极管(LightEmitting Diode，简称LED)、激光器、功率器件、紫外光探测器等领域被大量研究和应用。
目前GaN基LED外延片采用图形化蓝宝石衬底(Patterned SapphireSubstrate，简称PSS)作为衬底材料，现有的基于PSS的GaN的生长方法为在PSS上依次生长低温缓冲层、三维GaN层、二维GaN层。其中，三维GaN层为呈三维岛状的GaN层，二维GaN层为呈平面状的GaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在二维GaN层的生长过程中，二维GaN层在填平三维GaN层中各个三维岛状的GaN之间的空隙之后，在PSS凹陷部分内沿着PSS凸出部分的侧壁生长，由于平面状的GaN与PSS之间存在较大的晶格失配，因此二维GaN层与PSS交界处会产生向上延伸的位错缺陷。又由于该位错缺陷的方向与LED中载流子的运动方向相同，因此会导致LED漏电、发光效率降低。
发明内容
为了解决现有技术二维GaN层与PSS交界处会产生向上延伸的位错缺陷而导致LED发光效率降低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法及发光二极管外延片。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
在图形化蓝宝石衬底PSS上依次生长低温缓冲层、第一三维层；
在第一设定条件下，在所述第一三维层上生长第一二维层；
在第二设定条件下，在所述第一二维层上生长第二三维层；
在所述第二三维层上生长第二二维层；
其中，所述第一三维层和所述第二三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层和所述第二二维层为平面状的Ⅲ族氮化物层；
其特征在于，所述第一设定条件和所述第二设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低50-200℃；
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低10-50℃，所述第二设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr；
所述第二设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr；
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少10℃，所述第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比所述第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且所述第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
在本发明一种可能的实现方式中，所述Ⅲ族氮化物层中的Ⅲ族氮化物为BN、AlN、GaN、InN、TlN中任一种，或者BN、AlN、GaN、InN、TlN中至少两种的二元或多元合晶。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述第一三维层和所述第一二维层的总厚度小于所述PSS凸出部分与所述PSS凹陷部分之间的距离。
在本发明又一种可能的实现方式中，在所述在第二条件下，在所述第一二维层上生长第二三维层之前，所述生长方法还包括：
在第三设定条件下，在所述第一二维层上生长三维诱导层；
其中，所述第三设定条件与所述第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
所述第三设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
在本发明又一种可能的实现方式中，所述生长方法还包括：
在所述第二二维层上进行至少一次所述第二三维层和所述第二二维层的生长；
其中，每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长，包括：
在所述第二设定条件下，在所述第二二维层上再次生长所述第二三维层；
在再次生长的所述第二三维层上再次生长所述第二二维层。
可选地，每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长之前的所述第一三维层、所述第一二维层、所述第二三维层和所述第二二维层的总厚度，小于所述PSS凸出部分与所述PSS凹陷部分之间的距离。
可选地，在所述每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长之前，所述生长方法还包括：
在第三设定条件下，在所述第二二维层上生长三维诱导层；
其中，所述第三设定条件与所述第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
所述第三设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底PSS、以及依次层叠在所述PSS上的低温缓冲层、第一三维层和第一二维层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括依次层叠在所述第一二维层上的第二三维层和第二二维层，其中，所述第一三维层和所述第二三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层和所述第二二维层为平面状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层的生长条件和所述第二三维层的生长条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低50-200℃；
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低10-50℃，所述第二三维层的生长条件中的生长压力比所述第一二维层的生长条件中的生长压力高，且所述第二三维层的生长条件中的生长压力大于或等于200torr；
所述第二三维层的生长条件中的生长压力比所述第一二维层的生长条件中的生长压力高，且所述第二三维层的生长条件中的生长压力大于或等于300torr；
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低至少10℃，所述第二三维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比比所述第一二维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且所述第二三维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
在本发明一种可能的实现方式中，所述发光二极管外延片还包括依次层叠在所述第二二维层上的至少一层所述第二三维层和所述第二二维层。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述发光二极管外延片还包括至少一层三维诱导层，所述三维诱导层层叠在所述第一二维层和所述第二三维层之间，或者所述第二二维层和层叠在所述第二二维层上的所述第二三维层之间。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的PSS凸出部分的示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图4是本发明实施例二提供的GaN生长的原位反射率曲线；
图5是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图6是本发明实施例三提供的GaN生长的原位反射率曲线；
图7是本发明实施例四提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图8是本发明实施例四提供的GaN生长的原位反射率曲线；
图9是本发明实施例五提供的一种发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，参见图1，该生长方法包括：
步骤101：在PSS上生长低温缓冲层。
步骤102：在低温缓冲层上生长第一三维层。
步骤103：在第一设定条件下，在第一三维层上生长第一二维层。
需要说明的是，在步骤103的执行过程中，外延片会出现明显的横向生长，在横向生长的过程中会释放外延层(如GaN)与异质衬底(如蓝宝石)之间的大部分应力，使在异质衬底上生长外延层出现的位错转向甚至湮灭，显著降低外延片中的位错密度，将位错密度从1*1019-2*1019cm-2降低到2*1018-5*1018cm-2，提高LED的内量子效率、晶体质量和光电性能(如减少漏电电流)。
步骤104：在第二设定条件下，在第一二维层上生长第二三维层。
具体地，第一设定条件和第二设定条件满足如下关系中的一种或多种：
第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低50-200℃；
第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低10-50℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr；
第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr；
第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少10℃，第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
其中，Ⅴ/Ⅲ比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
例如，第一设定条件和第二设定条件可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低50-200℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr(详见实施例二)。第一设定条件和第二设定条件也可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少10℃，第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200(详见实施例三)。第一设定条件和第二设定条件还可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低10-50℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr(详见实施例四)。
可以理解地，本发明在生长第一二维层之后，通过将第一设定条件改为第二设定条件，利用PSS凸出部分的侧壁，诱导第二三维层的生长。具体地，第二设定条件与第一设定条件相比，温度较低、压力较高、Ⅴ/Ⅲ比较低、或者温度较低、压力较高、Ⅴ/Ⅲ比较低的组合，促使生长三维层。
在步骤104的执行过程中，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。
实验发现，第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低50-200℃，或者，第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低10-50℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr时，所达到的效果最为明显。第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少10℃，第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200时，达到的效果其次。第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr时，达到的效果最不明显，但还是有效果。
步骤105：在第二三维层上生长第二二维层。
可以理解地，在步骤105的执行过程中，外延片会再次出现横向生长，在横向生长的过程中会进一步使位错转向甚至湮灭，从而进一步降低外延片中的位错密度，位错密度降低到2*1018以下，提高LED的内量子效率、晶体质量和光电性能(如降低漏电、提高保护电压、增加使用寿命)。
在本实施例中，第一三维层和第二三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，第一二维层和第二二维层为平面状的Ⅲ族氮化物层。
可选地，Ⅲ族氮化物层中的Ⅲ族氮化物可以为BN、AlN、GaN、InN、TlN中任一种，或者BN、AlN、GaN、InN、TlN中至少两种的二元或多元合晶。
在本实施例的一种实现方式中，第一三维层和第一二维层的总厚度可以小于PSS凸出部分与PSS凹陷部分之间的距离。
可以理解地，第一三维层等是在PSS凹陷部分内沿着PSS凸出部分的侧壁生长，而第二三维层的生长需要利用PSS凸出部分的侧壁，因此需要保证第二三维层生长之前，外延层的厚度小于PSS凸出部分与PSS凹陷部分之间的距离。
图2为PSS凸出部分的示意图，曲线x所包围的区域表示PSS凸出部分，直线y所在的区域为PSS凹陷部分，h为PSS凸出部分与PSS凹陷部分之间的距离。
在本实施例的另一种实现方式中，在步骤104之前，该生长方法还可以包括：
在第三设定条件下，在第一二维层上生长三维诱导层；
其中，第三设定条件与第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
第三设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
可以理解地，当第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度高至少10℃时，更高的生长温度将使Ga、Al等Ⅲ族原子具有更高的迁移率，减少了Ⅲ族原子在PSS上的浸润，Ⅲ族原子较难附着在PSS凸出部分的侧壁上，Ⅲ族氮化物容易形成三维生长，长出三维层。当第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr，或者第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少150℃时，更高的生长压力和更低的生长温度将有利于Ⅲ族氮化物层在PSS凸出部分的侧壁上形成非平面结构，长出三维层。
在本实施例的又一种实现方式中，该生长方法还可以包括：
在第二二维层上进行至少一次第二三维层和第二二维层的生长；
其中，每次进行第二三维层和第二二维层的生长，包括：
在第二设定条件下，在第二二维层上再次生长第二三维层；
在再次生长的第二三维层上再次生长第二二维层。
可选地，每次进行第二三维层和第二二维层的生长之前的第一三维层、第一二维层、第二三维层和第二二维层的总厚度，可以小于PSS凸出部分与PSS凹陷部分之间的距离。
可选地，在每次进行第二三维层和第二二维层的生长之前，该生长方法还可以包括：
在第三设定条件下，在第二二维层上生长三维诱导层；
其中，第三设定条件与第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
第三设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
第三设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
本发明实施例通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，在本实施例中，Ⅲ族氮化物层为GaN，第一设定条件和第二设定条件可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低50-200℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr。参见图3，该生长方法包括：
步骤201：将PSS装入反应室，在H2中加热至1040-1080℃，烘烤6分钟(min)，压力为150torr。
步骤202：生长GaN缓冲层，GaN缓冲层的厚度为15-35nm，NH3流量为5-15升/分钟(slm)，TMGa流量为280-350微摩尔/分钟，温度500℃，压力为650torr。
在目前大规模生产用的金属有机化合物化学气相沉淀(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD)中，一般都安装有原位反射率监控装置，可用来实时监测外延材料的生长过程、研究分析其生长机制。一般的原位反射率监控系统是通过一束波长为633(或950)nm的单色光正入射到正在生长的外延片的表面，实时收集外延片表面的反射光信号，对外延材料的生长进行原位、实时监测。反射率的高低随着外延材料表面的平整程度变化，外延材料表面越平整，反射率越高。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤202对应图4中的a部分。从图4的a部分可以看出，执行步骤202时，反射率后面略有升高，这反映了GaN缓冲层的生长，但该层很薄，整体反射率仍较低。
步骤203：6min钟内将温度升至1050℃，保温30-90秒(s)，对GaN缓冲层退火重结晶，压力为500torr。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤203对应图4中的b部分。从图4的b部分可以看出，执行步骤203时，反射率有一个先升高再降低然后再升高的过程，这反映了GaN缓冲层经历了退火重结晶、及GaN成核小岛的形成过程。
可以理解地，通过执行步骤201-203实现了在PSS上生长低温缓冲层。
步骤204：温度降至980℃生长三维GaN层，NH3流量为15-20slm，TMGa流量为600-650微摩尔/分钟，生长时间为1500-2000秒，压力为500torr。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤204对应图4中的c部分。从图4的c部分可以看出，执行步骤204时，反射率变为0了，说明此时外延材料的表面极为粗糙。
可以理解地，通过执行步骤204实现了在低温缓冲层上生长第一三维层。
步骤205：压力降为200torr，温度升至1050℃生长二维GaN层，NH3流量为30slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，生长时间为1500秒。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤205对应图4中的d部分。从图4的d部分可以看出，执行步骤205时，反射率开始升高了，说明此时外延材料的表面开始变得平整。
可以理解地，通过执行步骤205实现了在第一设定条件下，在第一三维层上生长第一二维层。
步骤206：压力升至600torr，温度降至1020℃生长三维GaN层，NH3流量为30slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，生长时间为500秒。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤206对应图4中的e部分。从图4的e部分可以看出，执行步骤206时，反射率又降低了，说明此时外延材料的表面开始变得粗糙。
可以理解地，通过执行步骤206实现了在第二设定条件下，在第一二维层上生长第二三维层。
步骤207：压力降为200torr，温度升至1050℃生长二维GaN层，NH3流量为30slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，生长时间为1500秒。
需要说明的是，生长时间的4000-4500秒中的前1500秒用于GaN的横向生长，生长时间的4000-4500秒中的后2500-3000秒用于GaN的层状生长。
图4为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤207对应图4中的f部分和g部分。其中，f部分对应GaN的横向生长，g部分对应GaN的层状生长。从图4的e部分和f部分可以看出，执行步骤207时，反射率再次升高并逐渐趋于平稳，说明此时外延材料的表面是平整的。
可以理解地，通过执行步骤207实现了在第二三维层上生长第二二维层。
本发明实施例通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，在本实施例中，Ⅲ族氮化物层为GaN，第一设定条件和第二设定条件也可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低至少10℃，第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。参见图5，与实施例二相比，本实施例的步骤301-305、307分别与实施例二中的步骤201-205、207相同，本实施例与实施例二的不同之处在于：
步骤306：压力保持200torr，温度降至1030℃生长三维GaN层，NH3流量降为15slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，生长时间为600秒。
可以理解地，通过执行步骤306实现了在第二设定条件下，在第一二维层上生长第二三维层。
在目前大规模生产用的MOCVD中，一般都安装有原位反射率监控装置，可用来实时监测外延材料的生长过程、研究分析其生长机制。一般的原位反射率监控系统是通过一束波长为633(或950)nm的单色光正入射到正在生长的外延片的表面，实时收集外延片表面的反射光信号，对外延材料的生长进行原位、实时监测。反射率的高低随着外延材料表面的平整程度变化，外延材料表面越平整，反射率越高。
图6为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤302对应图6中的a部分。从图6的a部分可以看出，执行步骤302时，反射率后面略有升高，这反映了GaN缓冲层的生长，但该层很薄，整体反射率仍较低。。步骤303对应图6中的b部分。从图6的b部分可以看出，执行步骤303时，反射率有一个先升高再降低然后再升高的过程，这反映了GaN缓冲层经历了退火重结晶、及GaN成核小岛的形成过程。步骤304对应图6中的c部分。从图6的c部分可以看出，执行步骤304时，反射率变为0了，说明此时外延材料的表面极为粗糙。步骤305对应图6中的d部分。从图6的d部分可以看出，执行步骤305时，反射率开始升高了，说明此时外延材料的表面开始变得平整。步骤306对应图6中的e部分。从图6的e部分可以看出，执行步骤306时，反射率又降低了，说明此时外延材料的表面开始变得粗糙。步骤307对应图6中的f部分和g部分。其中，f部分对应GaN的横向生长，g部分对应GaN的层状生长。从图6的e部分和f部分可以看出，执行步骤307时，反射率再次升高并逐渐趋于平稳，说明此时外延材料的表面是平整的。
本发明实施例通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，在本实施例中，Ⅲ族氮化物层为GaN，第一设定条件和第二设定条件还可以满足如下关系：第二设定条件中的生长温度比第一设定条件中的生长温度低10-50℃，第二设定条件中的生长压力比第一设定条件中的生长压力高，且第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr。参见图7，与实施例二相比，本实施例的步骤401-405、408分别与实施例二中的步骤201-205、207相同，本实施例与实施例二的不同之处在于：
步骤406：将温度升至1070℃生长GaN诱导层，NH3流量为30slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，压力为200torr，生长时间为20-300秒。
可以理解地，通过执行步骤407实现了在第三设定条件下，在第一二维层上生长三维诱导层。
步骤407：压力保持200torr，温度降至1030℃生长三维GaN层，NH3流量仍为30slm，TMGa流量为800微摩尔/分钟，生长时间为600秒。
可以理解地，通过执行步骤407实现了在第二设定条件下，在第一二维层上生长第二三维层。
在目前大规模生产用的MOCVD中，一般都安装有原位反射率监控装置，可用来实时监测外延材料的生长过程、研究分析其生长机制。一般的原位反射率监控系统是通过一束波长为633(或950)nm的单色光正入射到正在生长的外延片的表面，实时收集外延片表面的反射光信号，对外延材料的生长进行原位、实时监测。反射率的高低随着外延材料表面的平整程度变化，外延材料表面越平整，反射率越高。
图8为本实施例的GaN生长过程中的原位反射率曲线。步骤402对应图8中的a部分。从图8的a部分可以看出，执行步骤402时，反射率后面略有升高，这反映了GaN缓冲层的生长，但该层很薄，整体反射率仍较低。步骤403对应图8中的b部分。从图8的b部分可以看出，执行步骤403时，反射率有一个先升高再降低然后再升高的过程，这反映了GaN缓冲层经历了退火重结晶、及GaN成核小岛的形成过程。步骤404对应图8中的c部分。从图8的c部分可以看出，执行步骤404时，反射率变为0了，说明此时外延材料的表面极为粗糙。步骤405对应图8中的d部分。从图8的d部分可以看出，执行步骤405时，反射率开始升高了，说明此时外延材料的表面开始变得平整。步骤407对应图8中的e部分。从图8的e部分可以看出，执行步骤407时，反射率又降低了，说明此时外延材料的表面开始变得粗糙。步骤408对应图8中的f部分和g部分。其中，f部分对应GaN的横向生长，g部分对应GaN的层状生长。从图8的e部分和f部分可以看出，执行步骤4087时，反射率再次升高并逐渐趋于平稳，说明此时外延材料的表面是平整的。
本发明实施例通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
实施例五
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图9，该发光二极管外延片包括PSS 1、以及依次层叠在PSS 1上的低温缓冲层2、第一三维层3、第一二维层4、第二三维层5和第二二维层6。
其中，第一三维层3和第二三维层5为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，第一二维层4和第二二维层6为平面状的Ⅲ族氮化物层。第一二维层4的生长条件和第二三维层5的生长条件满足如下关系中的一种或多种：
第二三维层5的生长条件中的生长温度比第一二维层4的生长条件中的生长温度低50-200℃；
第二三维层5的生长条件中的生长温度比第一二维层4的生长条件中的生长温度低10-50℃，第二三维层5的生长条件中的生长压力比第一二维层4的生长条件中的生长压力高，且第二三维层5的生长条件中的生长压力大于或等于200torr；
第二三维层5的生长条件中的生长压力比第一二维层4的生长条件中的生长压力高，且第二三维层5的生长条件中的生长压力大于或等于300torr；
第二三维层5的生长条件中的生长温度比第一二维层4的生长条件中的生长温度低至少10℃，第二三维层5的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比比第一二维层4的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且第二三维层5的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
可选地，Ⅲ族氮化物层中的Ⅲ族氮化物可以为BN、AlN、GaN、InN、TlN中任一种，或者BN、AlN、GaN、InN、TlN中至少两种的二元或多元合晶。
在本实施例的一种实现方式中，第一三维层3和第一二维层4的总厚度可以小于PSS 1凸出部分与PSS 1凹陷部分之间的距离。
在本实施例的另一种实现方式中，该发光二极管外延片还可以包括依次层叠在第二二维层4上的至少一层第二三维层5和第二二维层6。
可选地，每次进行第二三维层5和第二二维层6的生长之前的第一三维层3、第一二维层4、第二三维层5和第二二维层6的总厚度，可以小于PSS 1凸出部分与PSS 1凹陷部分之间的距离。
在本实施例的又一种实现方式中，该发光二极管外延片还可以包括至少一层三维诱导层，三维诱导层层叠在第一二维层4和第二三维层5之间，或者第二二维层4和层叠在第二二维层4上的第二三维层5之间。
其中，三维诱导层的生长条件与第一二维层4的生长条件满足如下关系中的一种或多种：
三维诱导层的生长条件中的生长温度比第一二维层4的生长条件中的生长温度高至少10℃；
三维诱导层的生长条件中的生长压力比第一二维层4的生长条件中的生长压力高，且第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
三维诱导层的生长条件中的生长温度比第一二维层4的生长条件中的生长温度低至少150℃。
可以理解地，该发光二极管外延片还包括依次层叠在第二二维层6上的N型层、发光层、以及P型层，此为现有技术，在此不再详述。
本发明实施例通过在第一二维层上再次生长第二三维层和第二二维层，由于三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，Ⅲ族氮化物层与PSS交界处产生的缺陷方向从垂直向上变为倾斜向上，相邻两个倾斜向上的缺陷会合后产生湮灭，降低了外延层的缺陷密度，提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及LED的发光效率。而且再次生长第二三维层和第二二维层，将使外延片再一次实现横向生长，进一步提高了外延片的晶体质量、光电性能、以及发光效率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
在图形化蓝宝石衬底PSS上依次生长低温缓冲层、第一三维层；
在第一设定条件下，在所述第一三维层上生长第一二维层；
在第二设定条件下，在所述第一二维层上生长第二三维层；
在所述第二三维层上生长第二二维层；
其中，所述第一三维层和所述第二三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层和所述第二二维层为平面状的Ⅲ族氮化物层；
其特征在于，所述第一设定条件和所述第二设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低50-200℃；
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低10-50℃，所述第二设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第二设定条件中的生长压力大于或等于200torr；
所述第二设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第二设定条件中的生长压力大于或等于300torr；
所述第二设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少10℃，所述第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比比所述第一设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且所述第二设定条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述Ⅲ族氮化物层中的Ⅲ族氮化物为BN、AlN、GaN、InN、TlN中任一种，或者BN、AlN、GaN、InN、TlN中至少两种的二元或多元合晶。
3.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述第一三维层和所述第一二维层的总厚度小于所述PSS凸出部分与所述PSS凹陷部分之间的距离。
4.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，在所述在第二条件下，在所述第一二维层上生长第二三维层之前，所述生长方法还包括：
在第三设定条件下，在所述第一二维层上生长三维诱导层；
其中，所述第三设定条件与所述第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
所述第三设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
5.根据权利要求1或2所述的生长方法，其特征在于，所述生长方法还包括：
在所述第二二维层上进行至少一次所述第二三维层和所述第二二维层的生长；
其中，每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长，包括：
在所述第二设定条件下，在所述第二二维层上再次生长所述第二三维层；
在再次生长的所述第二三维层上再次生长所述第二二维层。
6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长之前的所述第一三维层、所述第一二维层、所述第二三维层和所述第二二维层的总厚度，小于所述PSS凸出部分与所述PSS凹陷部分之间的距离。
7.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，在所述每次进行所述第二三维层和所述第二二维层的生长之前，所述生长方法还包括：
在第三设定条件下，在所述第二二维层上生长三维诱导层；
其中，所述第三设定条件与所述第一设定条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度高至少10℃；
所述第三设定条件中的生长压力比所述第一设定条件中的生长压力高，且所述第三设定条件中的生长压力大于或等于500torr；
所述第三设定条件中的生长温度比所述第一设定条件中的生长温度低至少150℃。
8.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底PSS、以及依次层叠在所述PSS上的低温缓冲层、第一三维层和第一二维层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括依次层叠在所述第一二维层上的第二三维层和第二二维层，其中，所述第一三维层和所述第二三维层为三维岛状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层和所述第二二维层为平面状的Ⅲ族氮化物层，所述第一二维层的生长条件和所述第二三维层的生长条件满足如下关系中的一种或多种：
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低50-200℃；
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低10-50℃，所述第二三维层的生长条件中的生长压力比所述第一二维层的生长条件中的生长压力高，且所述第二三维层的生长条件中的生长压力大于或等于200torr；
所述第二三维层的生长条件中的生长压力比所述第一二维层的生长条件中的生长压力高，且所述第二三维层的生长条件中的生长压力大于或等于300torr；
所述第二三维层的生长条件中的生长温度比所述第一二维层的生长条件中的生长温度低至少10℃，所述第二三维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比比所述第一二维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比低，且所述第二三维层的生长条件中的Ⅴ/Ⅲ比大于200。
9.根据权利要求8所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括依次层叠在所述第二二维层上的至少一层所述第二三维层和所述第二二维层。
10.根据权利要求9所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括至少一层三维诱导层，所述三维诱导层层叠在所述第一二维层和所述第二三维层之间，或者所述第二二维层和层叠在所述第二二维层上的所述第二三维层之间。
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